ドーピング

純粋なシリコンは、そのままでは便利なスイッチにならない。半導体デバイスでは、シリコン中にごく少量の不純物を入れ、電流を運ぶキャリアの種類と濃度を制御する。この工程をドーピングという。

シリコン結晶に 5 価のリンやヒ素を入れると、余った電子が動きやすくなり N 型になる。3 価のホウ素を入れると、電子が足りない場所である正孔が動きやすくなり P 型になる。

型	代表的な不純物	多数キャリア	使われる領域の例
N 型	P, As, Sb	電子	nMOS のソース/ドレイン、N ウェル
P 型	B, BF2	正孔	pMOS のソース/ドレイン、P ウェル

ドーピングで重要なのは「何を入れるか」だけではない。どの深さに、どの濃度で、どの横方向の広がりで入るかが、しきい値電圧、接合容量、リーク電流、寄生抵抗を決める。

どこに入れるか

CMOS では、P 型基板や N 型基板の上にウェルを作り、その中に nMOS と pMOS を作る。代表的なドーピング領域は次の通りである。

これらは同じ「不純物を入れる」工程でも、必要な深さや濃度が大きく違う。深いウェルは高エネルギーで、浅いソース/ドレイン拡張は低エネルギーで作る。

古典的な方法は、炉の中で不純物を熱拡散させる方法である。高温にしたシリコン表面にドーパント源を置くと、不純物原子が結晶中へ広がっていく。

拡散は熱で進むため、温度と時間で深さを制御する。濃度分布は急峻な段差にはならず、表面から内部へなだらかに減っていく。深い領域を作るには便利だが、微細なトランジスタでは横方向にも広がってしまうことが問題になる。

現在の微細 CMOS では、主要な精密ドーピングはイオン注入で行い、熱拡散はアニール中に起こる副作用として厳しく管理される。

イオン注入は、ドーパント原子をイオン化し、電界で加速してシリコンに打ち込む方法である。フォトレジストや酸化膜をマスクにすれば、必要な領域だけに不純物を入れられる。

工程の概略は次のようになる。

イオン注入では、主に 2 つの値でプロファイルを制御する。

パラメータ	意味	効く特性
ドーズ量	単位面積あたりに打ち込むイオン数	濃度、抵抗
エネルギー	イオンを加速する強さ	平均深さ、分布幅

注入されたイオンは結晶格子を壊しながら止まる。そのため、注入直後のシリコンはダメージを受けており、ドーパントも電気的に有効な格子位置に入っていないことが多い。

シリコンは単結晶なので、結晶方位によっては原子が並ぶすき間をイオンが深く進んでしまう。これをチャネリングという。予定より深い位置に不純物が入ると、浅い接合が作れない。

対策として、ウェーハをわずかに傾けて注入したり、事前に表面を軽くアモルファス化したりする。イオン注入は単に「撃ち込む」だけでなく、結晶構造との相互作用まで含めて制御する工程である。

アニールは、注入で壊れた結晶を修復し、ドーパントを電気的に活性化する熱処理である。ドーパント原子がシリコン格子の置換位置に入ると、電子や正孔を供給できるようになる。

ただし、温度を上げて長く加熱すると不純物が拡散してしまう。浅い接合を保ちたい先端プロセスでは、短時間だけ高温にする RTA、スパイクアニール、レーザーアニール、ミリ秒アニールなどが使われる。

アニールで同時に起きることは多い。

熱処理の合計をサーマルバジェットという。半導体プロセスでは、ある工程だけを最適化しても、後の高温工程で濃度分布が変わる。全体の熱履歴を見ながら順序を決める必要がある。

ドーピング後は、目的通りの濃度と深さになっているかを測る。

デバイスとしては、低抵抗にしたい領域と、リークを抑えたい領域が同居する。濃く入れれば抵抗は下がるが、接合容量やリーク、短チャネル効果が悪化することもある。ドーピングは、トランジスタの電気特性を作るための最も直接的な工程である。